水煤浆在石化企业的应用与分析检验注意事项

(宁波金发新材料有限公司，浙江 宁波 315803)

1 石化企业锅炉与造气用燃料的分析检验情况概述

长期以来煤一直是化工生产锅炉燃烧产蒸汽主要燃料。上个世纪八十年代一部分石化企业锅炉燃烧产蒸汽和半水煤气造气开始用重油作为燃料，分析项目有密度、粘度、水分、闪点等。中控分析项目重点是分析水分，重油是易燃易爆危险化学品，储存、运输、生产都非常危险。上个世纪九十年代末到二十一世纪初，随着国际原油价格飞涨和国内重油深加工技术和能力不断提高，重油价格猛涨。国内以重油为燃料的石化企业纷纷上油改煤工程，逐步改用煤作为化工原料产蒸汽和半水煤气。典型代表有壳牌粉煤气化、德士古炉造气、型煤造气、烟煤锅炉产蒸汽。煤的主要分析项目有煤的热值、灰分、挥发分、硫、灰熔点、煤粉粒度等项目[1、2]，其中热值、灰分、挥发分、硫、灰熔点非常重要。生产过程中也会因为热值低、灰分高、挥发分过高或过低、灰熔点不合格导致锅炉熄火、结焦等情况。煤的储存、运输、生产上现场环境恶劣，有一定的危险性[3]。

最近十年为了改善生产环境，兼顾流动性、热值等各方面要求，锅炉产蒸汽的燃料水煤浆和造气生产半水煤气的气化水煤浆两种水煤浆开始在石化企业大量应用。水煤浆(英文缩写CWS)是由煤、水和少量化学添加剂经过加工制成的具有一定粒度分布、流动性和稳定性的流体，它有油一样的流动性，热值大体为燃料油的二分之一。通过近十年水煤浆在石化企业大量应用实践证明：水煤浆与直接燃烧煤相比，它是一种高效、清洁、安全、环保、低廉的新型煤基燃料，现场作业环境大大改善，又可长距离管道输送，生产设备投资低污染小，是洁净煤技术的重要分支，值得在石化企业推广应用。水煤浆的这些特性决定了水煤浆应有的质量指标，水煤浆的质量指标是检验水煤浆是否合格重要参数，因此水煤浆的分析检验工作尤为重要[4、5]。

现将几种化工燃料在实际应用中优缺点汇总统计在表1。

表1 几种化工燃料优缺点汇总统计表

(续表)

从表1可得：在我国非常重视安全、环保的前提下，兼顾成本，水煤浆是一种非常好的锅炉产蒸汽、造气清洁燃料，值得应用推广。

2 水煤浆分析项目及操作注意事项

水煤浆的分析项目包括浓度、表观粘度、灰分、挥发分、硫、热值、密度、粒度、灰融性软化温度、稳定性等。下面结合水煤浆的日常分析工作经验，主要针对燃料水煤浆浓度、表观粘度、挥发分、硫、热值、粒度、灰融点、稳定性分析项目意义、常见问题和提高分析结果准确性的相关措施和建议方面进行探讨[1-8]。

2.1 浓度分析

2.1.1 水煤浆浓度测定意义

水煤浆中的水不能产生热量，燃烧中水吸热带来热损失。水煤浆的热值取决于水煤浆中煤粉含量多少，煤粉的含量简称浓度，浓度越大，热值就越高。

2.1.2 水煤浆浓度分析常见问题

水煤浆浓度测定采用鼓风干燥箱干燥法测量，常见问题有:①两次平行测定的重复性差；②分析结果的重复性好，但准确性不高；③未采取密封或密封不牢，导致水分散失。④水煤浆称量过多过厚，导致水分难以散发等。

2.1.3 提高浓度分析准确性的有效措施

①采取的水煤浆试样应保存在密封良好的容器内，采样后应尽快测定；②水煤浆要充分搅拌均匀，称量要迅速；③称量瓶预先在105～110 ℃下恒重，使用长期未恒重的称量瓶会导致分析结果的精密度高，但准确性不高；④称取的水煤浆量应在(3±0.2)g，不可过多或过少；⑤进行检查性干燥；⑥建议做3个平行样测定，当两个结果不平行时，可参考第三个。

2.2 表观粘度测定

2.2.1 粘度测定意义

为了使水煤浆易于泵送和雾化，应具有良好的流动性，粘度过大容易导致输送阻力大、堵管等问题。还应具有“剪切变稀”的流变特性，即当水煤浆处于流动状态时，粘度较低，有利于使用；静止时又有较高的粘度，有利于稳定，便于储存。水煤浆的表观粘度是指在剪切速率为100 s-1下的表观粘度。

2.2.2 粘度分析常见问题

我公司采用成都仪器厂生产的NXS-4C型粘度计测定水煤浆的粘度，常见问题有:①不同季节，水煤浆的温度过冷、过热带来的误差；②当水煤浆稳定性不好时，水煤浆会有沉淀现象，导致上层粘度低，下层粘度高；③水煤浆测量时加入外筒的量不同导致的偏差；④仪器长期未校准带来的仪器误差。

2.2.3 粘度测定注意事项

①水煤浆应在恒温器(20±0.1 ℃)中恒温至少半小时；②水煤浆应搅拌均匀，至无软、硬沉淀，但应避免过度搅拌，以减少剪切变稀对试验结果的影响；③加入水煤浆的量应以刚好淹没整个内筒为准；④粘度计每月用标油校准一次；⑤内外筒不可碰撞，以免变形无法测量；⑤每个水煤浆样进行2次重复测定，重复性应控制在100 mPa·s-1以内。

2.3 挥发分测定

2.3.1 分析测定意义

为了确保水煤浆容易燃烧，水煤浆中煤粉应有较高的挥发分，挥发分太低，水煤浆在锅炉内不易稳定的燃烧(要多喷柴油)。挥发分太高，可挥发有机物较多，锅炉会发生爆燃危险(水煤浆锅炉由于水煤浆带入大量水，水吸热能很好控制炉温，发生爆燃可能性较小)，所以水煤浆挥发分一般越高越好。

2.3.2 挥发分测定常见问题

①测量结果偏高；②分析结果重复性差；③实验人员操作手法过慢导致试验作废。

2.3.3 挥发分测定注意事项

①瓷坩埚应配有严密的坩埚盖，使用前应检查是否有裂纹，并且在900 ℃下灼烧至质量恒定；②煤样需准确称取0.9900～1.0100 g，要轻轻震动坩埚，使试样摊平；③将放有坩埚的坩埚架送入恒温区的速度要快，以保证炉温在3 min内恢复至(900±10 ℃)；④在试验进行6分58秒时，迅速打开炉门，确保在7 min到达的那一刻取出坩埚；⑤做平行样测定，但同一坩埚架放入盛有物料的瓷坩埚数量不能过多，否则会使炉温过高导致分析不准确；⑥分析用马弗炉等温度要定期校准。

2.4 全硫含量测定

2.4.1 硫测定意义

水煤浆中硫含量是重要环保控制指标。水煤浆中硫在锅炉与氧燃烧后最终生成二氧化硫随锅炉烟气排出。含硫量的高低直接影响到锅炉烟气中二氧化硫含量，而且会腐蚀锅炉，所以必须保证硫含量在允许的范围内。

2.4.2 库仑滴定法

煤中全硫含量测定方法有艾士卡法、库仑滴定法和高温燃烧中合法，我公司采用库仑滴定法测定水煤浆中的硫含量，使用的是长沙开元仪器生产的5E-S3200电脑测硫仪，分析过程中常见问题有分析结果偏低，炉温升温过慢及其他仪器故障。

2.4.3 硫含量测定注意事项

①检查气密性，开动电磁泵，调节流速至1 000 mL/min，夹紧烟尘过滤器前端的软管，观察流量计的浮子是否下降，如浮子下降至100 mL/min以下，则说明连接电解池的净化系统气密性好。否则应检查过滤器、电解池及净化管是否漏气；②检查气流量，调节流量计流量旋钮，使气流稳定在1 000 mL/min，如果达不到，则检查气路是否有打折现象或气泵皮碗是否老化，试验过程中必须保证流量计在1 000 mL/min；③在试验中的搅拌速度最控制在搅拌子跳起的临界状态，但不能使搅拌子跳起。搅拌子保持较高速度是因为搅拌速度太慢电解生成的碘得不到扩散，会使终点控制失灵，无法得到准确的全硫测值。合适的转速是以搅拌时电解液中有大量的气泡生成，而又不使搅拌子跳起串击到电极上；④电解液应定期更换，这是因为随着电解液使用次数的增加，酸度不断增加，当电解液呈酸性后，I和Br的光敏反应增强而额外生成I2和Br2，这些I2和Br2是非电解产生的，将导致测硫值偏低；⑤一般每个实验时间为3～6 min，时间过长，属于不正常，此时应观察电解曲线情况，如果到某一高度后，呈一平行直线，有时甚至电解液变成暗红，应立即停机，检查指示线路或控制面板等是否有故障；⑥每月用标煤对仪器进行校标定，注意观察标煤实验结果校正前一般都在标煤值附近，若结果重复性很差或比标煤值偏小很多时应检查仪器是否气密性差等原因后重做实验，不能盲目的进行校正。

2.5 热值分析

2.5.1 热值分析的意义

水煤浆主要利用煤粉与空气中氧燃烧放热产蒸汽，发热量越高，经济价值就越大。

2.5.2 热值分析常见问题

我公司水煤浆热值分析采用长沙开元公司生产的5E-AC/PL型自动量热仪，热值分析常见问题一般是仪器点火失败，氧弹漏气，分析结果偏低，重复性差等。

2.5.3 热值分析注意事项

①氧弹充氧后，应检查是否漏气，置入水中浸没数分钟，观察是否有气泡往上冒。若有漏气，则应更换密封圈；②点火丝不得与坩埚接触，不得插入试样中，以防止点火时试样弹出，应弯成圆弧形靠近煤样表面；③氧气瓶的压力低于5 MPa，应更换新氧气。充氧的压力为2.8～3.0 MPa，严禁超压充氧，应定期检查充氧器上的压力表与减压阀上的压力表知识值是否一致；④从内桶中取出氧弹时，必须小心，防止因碰撞或跌落损坏内桶；⑤实验完毕，应检查镍坩埚和弹筒内残留水面上是否有试样，以保证测定结果的准确；⑥充氧器严禁与各种油脂接触；⑦每三个月用苯甲酸标定一次热容量，标定热容量时，要求5次测定结果的平均值与标准热值相差不超过50 J/g；⑧发热量测定室内温度相对稳定，每次测定室温变化不因超过1 ℃；⑨应定期更换水箱中的水，防止绿藻的生成。

2.6 灰熔点测定

2.6.1 灰熔点测定的意义

为了让燃料水煤浆在锅炉燃烧后，渣能在高温下全部呈固态顺利排出，不会因为灰熔点低于炉膛温度，渣在炉内呈熔融状态粘炉、结焦，堵炉，大焦块突然掉落砸坏锅炉水冷壁导致严重事故发生。要求水煤浆的灰熔点高于炉膛正常燃烧温度。

2.6.2 灰熔点常见问题

灰熔点采用鹤壁天宇ZDHR-3型灰熔点仪分析。常见问题是灰锥放置位置距离测温探头超过规定范围，导致灰熔点仪结果偏高。还有测温元件温度误差，仪器和人工识别软化温度DT、变形温度ST(T1)、半球温度HT(T2)、流动温度FT(T3)都存在误差。

2.6.3 灰熔点分析注意事项

①灰锥一定要放置在测温探头附近±3 cm范围内，确保测温探头测得的温度与灰锥实际稳定相符合；②加强仪器维护，做样前将摄像头镜片、观察孔石英片擦拭干净，确保视频图像清晰，不影响人或仪器判断；③定期用标准灰熔点样品做对照，发现超过误差及时查找原因纠正。

2.7 粒度测定

2.7.1 粒度测定的意义

为了检验煤碾磨成煤粉制成水煤浆后颗粒大小，确保生产的水煤浆能稳定储存、运输，煤粉顺利通过各种筛网，喷入锅炉燃烧时煤颗粒不堵浆枪，必须精确测定水煤浆中煤粉颗粒大小。

2.7.2 粒度分析常见问题

水煤浆中煤粉粒度采用丹东市百特仪器有限公司生产的BT-2002型激光粒度分析仪分析。常见问题是分散剂添加量不恰当、样品混合不均匀、最后一点粗煤粉样品没有倒入，激光镜片污染模糊、仪器设置不对、激光光源发光强度衰减等导致粒度分析误差较大。

2.7.3 粒度分析注意事项

①水煤浆做样前一定要充分搅拌均匀，要快速随机挖取适量水煤浆样品倒入分散杯，要确保所有样品全部倒入仪器；②分散剂每次定量加入；③定期擦洗粒度激光分析仪测量池镜片；④仪器调空白用水最好固定；⑤自己自制一批标准粒度样品烘干，长期保存，定期在仪器上做标准样品，将分析结果与以前对照，看仪器是否稳定，确保分析数据准确可靠。

2.8 稳定性测定

2.8.1 稳定性测定的意义

为了检测水煤浆在运输、储存过程中能否保持良好的分散性和稳定性，方便正常储存和输送，避免在输送、储存过程中发生分层，导致部分煤粉沉降罐底和管道内，影响生产，杜绝水煤浆罐“座死”、管道堵死等严重事故发生。

2.8.2 稳定性分析常见问题

水煤浆生产厂家考虑到按国家标准分析静态稳定性时间长(7天)，动态稳定性测量难度大，指导生产意义不大等因素，没有严格按国家标准测定静态稳定性和动态稳定性。为了配合生产需要，自己结合国家标准方法摸索出快速、简便静态稳定性测定方法，采样量也不够，分析室恒温难以保证，测试用玻璃棒没有统一，不同分析员玻璃棒插入浆中手感不一样，判断稳定性标准存在差异。这些方法虽然能测量水煤浆稳定性，但是否完全可靠有待验证。

2.8.3 稳定性分析注意事项

①分析水煤浆的稳定性，样品量不少于1 L；②做样前一定要充分搅拌均匀，要随机取适量水煤浆样品快速倒入稳定性测试容器；③观察沉降、分层用的尺子、玻璃棒、时间、分析室温度一定要固定，分析员经常培训交流测量经验，要经验非常丰富；④为了确保快速测定方法可靠，建议定期用标准水煤浆稳定性测定方法进行对照实验，确保快速测定法可靠。

3 提高水煤浆分析数据准确性的其他有效措施

3.1 做好人员培训工作

分析人员的操作规范程度直接影响了分析数据的准确性。要加强对实验人员技能方面的培训，要注重试验人员责任心的培养，要求实验人员具备高度的责任感和严谨的工作态度，分析过程要严格按照操作规程执行。

3.2 做好仪器维护工作

仪器设备的精密度和稳定性是影响试验结果的重要因素。如果仪器稳定性不好，平行误差大，就会给分析结果带来误差。在平时的分析工作中对仪器设备要加以爱护，轻拿轻放，减少碰撞，分析结束后应及时关闭仪器，要保持仪器的清洁，要定期对仪器进行校准，用标准煤样对仪器进行标定，以提高分析数据的准确度。

3.3 营造规范的试验环境

良好的分析室环境是保证仪器设备正常运行和分析数据准确的前提。所处的环境达不到化验要求的环境，就会很大程度上影响分析数据的准确性。比如热值的分析对环境的温度有着较高的要求，每次测定室温变化不因超过1 ℃，否则分析结果就会相差很大。